半導(dǎo)體三極管與其放大電路

1、半導(dǎo)體三極管與其放大電路4.1.1 半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的。在工作過程中，兩種載流子（電子和空穴）都參與導(dǎo)電，故又稱為，簡稱晶體管或三極管。 兩個(gè)PN結(jié)，把半導(dǎo)體分成三個(gè)區(qū)域。這三個(gè)區(qū)域的排列，可以是N-P-N，也可以是P-N-P。因此，三極管有兩種類型：和。集電結(jié) B發(fā)射結(jié)NPN集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)CCEEBNPN型集電結(jié) B發(fā)射結(jié)PNPCCEEB集電區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)PNP型箭頭方向表示發(fā)射結(jié)加正向電壓時(shí)的電流方向4.1.2 一、產(chǎn)生放大作用的條件 內(nèi)部：a）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度基區(qū)集電區(qū) b）基區(qū)很薄 外部：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏二、三極管內(nèi)部載流子的傳輸過程1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，

2、形成發(fā)射極電流 iE2.電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流 iB3.集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子，形成集電極電流 iC三、電流分配關(guān)系： iE = iC + iB NPNICIEIBRBUBBUCCRC 實(shí)驗(yàn)表明IC比IB大數(shù)十至數(shù)百倍，因而有。IB雖然很小，但對(duì)IC有控制作用，IC隨IB的改變而改變，即基極電流較小的變化可以引起集電極電流較大的變化，表明基極電流對(duì)集電極具有小量控制大量的作用，這就是三極管的電流放大作用。4.1.3 BECEOBEIIIII)1 ()1 (一一4.1.4 ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB

3、 /mA0UCE1V測(cè)量三極管特性的實(shí)驗(yàn)電路 三極管的輸入特性曲線(1)4321IB=003 6 9 12 UCE /V20A40A60A80A100A飽和區(qū)截止區(qū)放 大 區(qū)IC /mA共發(fā)射極輸出特性曲線共發(fā)射極輸出特性曲線a.放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置BECEBEBuuui, 0, 0BCii0, 0CBiiBCiib.截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置 c.飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置 此時(shí)此時(shí) （1）溫度對(duì)uBE的影響（2）溫度對(duì)ICBO的影響（3

4、）溫度對(duì)的影響1、電流放大系數(shù)、電流放大系數(shù)：iC= iB2、極間反向電流、極間反向電流iCBO、iCEO：iCEO=（1+ ）iCBO3、極限參數(shù)、極限參數(shù) （1）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 ICM： 下降到額定值下降到額定值的的2/3時(shí)所允許的最大集電極電流。時(shí)所允許的最大集電極電流。 （2）反向擊穿電壓）反向擊穿電壓U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電：基極開路時(shí)，集電極、發(fā)射極間的最大允許電壓。極、發(fā)射極間的最大允許電壓。（3）集電極最大允許功耗）集電極最大允許功耗PCM 。 4.1.5 4.2.1 RsRBus+ui+UBBRL+uo+UCCRCC1C2V+（1）晶體管V。

5、放大元件，用基極電流iB控制集電極電流iC。（2）電源UCC和UBB。使晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，晶體管處在放大狀態(tài)，同時(shí)也是放大電路的能量來源，提供電流iB和iC。UCC一般在幾伏到十幾伏之間。（3）偏置電阻RB。用來調(diào)節(jié)基極偏置電流IB，使晶體管有一個(gè)合適的工作點(diǎn)，一般為幾十千歐到幾百千歐。（4）集電極負(fù)載電阻RC。將集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以獲得電壓放大，一般為幾千歐。（5）電容Cl、C2。用來傳遞交流信號(hào)，起到耦合的作用。同時(shí)，又使放大電路和信號(hào)源及負(fù)載間直流相隔離，起隔直作用。為了減小傳遞信號(hào)的電壓損失，Cl、C2應(yīng)選得足夠大，一般為幾微法至幾十微法，通常采用電解

6、電容器。Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB+共發(fā)射極放大電路的實(shí)用電路是指無交流信號(hào)輸入時(shí)，電路中的電流、電壓都不變的狀態(tài)，靜態(tài)時(shí)三極管各極電流和電壓值稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。靜態(tài)分析主要是確定放大電路中的靜態(tài)值IBQ、ICQ和UCEQ。RC+UCCVRB+UCEQ+UBEQ ICQIBQBBEQCCBQRUUIBQCQIICCQCCCEQRIUU：耦合電容可視為開路。4.2.2 4.3.1 圖解步驟：（1）用估算法求出基極電流IBQ（如40A）。（2）根據(jù)IBQ在輸出特性曲線中找到對(duì)應(yīng)的曲線。（3）作直流負(fù)載線。根據(jù)集電極電流IC與集、射間電壓UC

7、E的關(guān)系式UCE=UCCICRC可畫出一條直線，該直線在縱軸上的截距為UCC/RC，在橫軸上的截距為UCC，其斜率為1/ RC ，只與集電極負(fù)載電阻RC有關(guān)，稱為直流負(fù)載線。（4）求靜態(tài)工作點(diǎn)Q，并確定UCEQ、ICQ的值。晶體管的ICQ和UCEQ既要滿足IB=40A的輸出特性曲線，又要滿足直流負(fù)載線，因而晶體管必然工作在它們的交點(diǎn)Q，該點(diǎn)就是靜態(tài)工作點(diǎn)。由靜態(tài)工作點(diǎn)Q便可在坐標(biāo)上查得靜態(tài)值ICQ和UCEQ。IB=00UCE/V20A40A60A80AIC/mAQICQUCEQUCCRCUCCIB=40A的輸出特性曲線由UCE=UCCICRC所決定的直流負(fù)載線兩者的交點(diǎn)Q就是靜態(tài)工作點(diǎn)過Q點(diǎn)作

8、水平線，在縱軸上的截距即為ICQ過Q點(diǎn)作垂線，在橫軸上的截距即為ICQ是指有交流信號(hào)輸入時(shí)，電路中的電流、電壓隨輸入信號(hào)作相應(yīng)變化的狀態(tài)。由于動(dòng)態(tài)時(shí)放大電路是在直流電源UCC和交流輸入信號(hào)ui共同作用下工作，電路中的電壓uCE、電流iB和iC均包含兩個(gè)分量。RsRBus+uiRL+uoVRCibic：（ui單獨(dú)作用下的電路）。由于電容C1、C2足夠大，容抗近似為零（相當(dāng)于短路），直流電源UCC去掉（短接）。圖解步驟：（1）根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點(diǎn)Q。（2）根據(jù)ui在輸入特性上求uBE和iB。（3）作交流負(fù)載線。（4）由輸出特性曲線和交流負(fù)載線求iC和uCE。0 (a) 輸入回路 (b)

9、 輸出回路uCEiCQICQUCCuBEiB0uBEtiBt0iCt0tQQQQQIBQUBEQuCEUCEQ直流負(fù)載線交流負(fù)載線00從圖解分析過程，可得出如下幾個(gè)重要結(jié)論：（1）放大器中的各個(gè)量uBE，iB，iC和uCE都由直流分量和交流分量兩部分組成。（2）由于C2的隔直作用，uCE中的直流分量UCEQ被隔開，放大器的輸出電壓uo等于uCE中的交流分量uce，且與輸入電壓ui反相。（3）放大器的電壓放大倍數(shù)可由uo與ui的幅值之比或有效值之比求出。負(fù)載電阻RL越小，交流負(fù)載電阻RL也越小，交流負(fù)載線就越陡，使Uom減小，電壓放大倍數(shù)下降。（4）靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置得不合適，會(huì)對(duì)放大電路的性能造

10、成影響。若Q點(diǎn)偏高，當(dāng)ib按正弦規(guī)律變化時(shí)，Q進(jìn)入飽和區(qū)，造成ic和uce的波形與ib（或ui）的波形不一致，輸出電壓uo（即uce）的負(fù)半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為飽和失真；若Q點(diǎn)偏低，則Q進(jìn)入截止區(qū)，輸出電壓uo的正半周出現(xiàn)平頂畸變，稱為截止失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。(a) 飽和失真0uCEiCQICQiCt0tQQuCEUCEQ0(b) 截止失真0uCEiCQICQiCt0tQQUCEQ0uCE 把非線性元件晶體管所組成的放大電路等效成一個(gè)線性電路，就是放大電路的微變等效電路，然后用線性電路的分析方法來分析，這種方法稱為微變等效電路分析法。是晶體管在小信號(hào)（微變量）情況下工作。

11、這樣就能在靜態(tài)工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，用直線段近似地代替晶體管的特性曲線。UBEIB0IBUBEQ輸入特性曲線在Q點(diǎn)附近的微小范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線性的。當(dāng)uBE有一微小變化UBE時(shí)，基極電流變化IB，兩者的比值稱為三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻，用rbe表示，即：bbeBBEbeiuIUr4.3.2 +ube+uceicibCBErbe+uceicibCBE+ubeib (a) 三極管 (b) 三極管的微變等效電路)mA(mV)(26)1 (300EQbeIr0UCEICIBICQ輸出特性曲線在放大區(qū)域內(nèi)可認(rèn)為呈水平線，集電極電流的微小變化IC僅與基極電流的微小變化IB有關(guān)，而與電壓uCE無關(guān)，故集電極和發(fā)

12、射極之間可等效為一個(gè)受ib控制的電流源，即：bciirbe+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU RsRBus+uiRL+uoVRCibic電壓放大倍數(shù)beLbbebLbbecLorRIrIRIrIRUUAiu式中RL=RC/RL。當(dāng)RL=（開路）時(shí)beCrRAurbe+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU 輸入電阻beB/rRIURiiirbe+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU iIRi輸入電阻Ri的大小決定了放大電路從信號(hào)源吸取電流（輸入電流）的大小。為了減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，總希望Ri越大越好。另外，較大的輸入電阻Ri，也可以降低信號(hào)源內(nèi)阻

13、Rs的影響，使放大電路獲得較高的輸入電壓。在上式中由于RB比rbe大得多，Ri近似等于rbe，在幾百歐到幾千歐，一般認(rèn)為是較低的，并不理想。輸出電阻rbe+UcIbICBEbIRCRBRsICoRIURRo的計(jì)算方法是：信號(hào)源sU短路，斷開負(fù)載 RL，在輸出端加電壓U，求出由U產(chǎn)生的電流I，則輸出電阻 Ro為：對(duì)于負(fù)載而言，放大器的輸出電阻Ro越小，負(fù)載電阻RL的變化對(duì)輸出電壓的影響就越小，表明放大器帶負(fù)載能力越強(qiáng)，因此總希望Ro越小越好。上式中Ro在幾千歐到幾十千歐，一般認(rèn)為是較大的，也不理想。例例：圖示電路，已知V12CCU，300BRk，3CRk，3LRk，3sRk，50，試求：（1）R

14、L接入和斷開兩種情況下電路的電壓放大倍數(shù)uA；（2）輸入電阻 Ri和輸出電阻 Ro；（3）輸出端開路時(shí)的源電壓放大倍數(shù)susUUAo。Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB+解解：先先求求靜靜態(tài)態(tài)工工作作點(diǎn)點(diǎn)40A30012BCCBBEQCCBQRURUUIAmA204. 050BQCQIIV63212CCQCCCEQRIUU再求三極管的動(dòng)態(tài)輸入電阻963)mA(2mV)(26)501 (300)mA(mV)(26)1 (300EQbeIr963. 0kRC+UCCVRB+UCEQ+UBEQ ICQIBQ（1）RL接入時(shí)的電壓放大倍數(shù)uA為：78963. 0333350beLrRA

15、uRL斷開時(shí)的電壓放大倍數(shù)uA為：156963. 0350beCrRAu（2）輸入電阻 Ri為：96. 0963. 0/300/beBrRRik輸出電阻 Ro為：3Co RR k（3）39)156(131oouisiisisusARRRUUUUUUA溫度升高UBE減小ICBO增大增大IC增大4.1.1 Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RECE+UCCRCVRB1RB2REUBI1I2ICQIBQUE+UCEQ+ UBEQ ：I2IB，則CCB2B1B2BURRRU與溫度基本無關(guān)。溫度 tICIEUE(=IE RE)UBE(=UBIE RE)IB IC調(diào)節(jié)過程：4.4.

16、2 （1）靜態(tài)分析)(CQBQEBEQBEQCCB2B1B2BECCQCCCEQCQRRIUUIIRUUIIURRRU（2）動(dòng)態(tài)分析CbeBBiuRRrRRRrRAo21beL/例：例：圖示電路（接CE），已知UCC=12V，RB1=20k，RB2=10k，RC=3k，RE=2k，RL=3k，=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。Rsus+uiRL+uo+UCCRCC1C2VRB1RB2RECE+解：解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)V75. 3)23(65. 112)(A33mA5065. 1mA65. 127 . 04V412102010ECCQCCCEQCQBQE

17、BEQBEQCCB2B1B2BRRIUUIIRUUIIURRRUCQ（2）求電壓放大倍數(shù)681 . 1333350k1 . 1110065. 126)501 (30026)1 (300beLEQberRAIru（3）求輸入電阻和輸出電阻k3k994. 01 . 1/10/20/obeB2B1CiRRrRRRECQCCEEQCCCEQBQCQEBBEQCCBQEBQBEQBBQEEQBEQBBQCC)1 ()1 (RIURIUUIIRRUUIRIURIRIURIURsus+uiRL+uo+UCCC1C2VRBRE+UCCVRB1REICQIBQ+UCEQ+ UBEQ 4.5.1 rbe+oUcI

18、bICBE+iUbIRERLRBRs +sU 射極輸出器的微變等效電路1IeIiILbeLoLbbebobebLbLo)1 ()1 ()1 ()1 (RrRUUARIrIUrIURIRIUiuie求電壓放大倍數(shù)求輸入電阻)1 (/)1 (LbeBLbeBb1RrRIURRrURUIIIiiiiiirbe+oUcIbICBE+iUbIRERLRBRs +sU 射極輸出器的微變等效電路1IeIiI計(jì)算輸出電阻的等效電路Irbe+ UcIbICBEbIRERBRseI求輸出電阻1/beEoEbebebbssseRrRIURRURrURrUIIII射極輸出器的特點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)小于1，但約等于1，即電

19、壓跟隨。輸入電阻較高。輸出電阻較低。射極輸出器的用途：射極跟隨器具有較高的輸入電阻和較低的輸出電阻，這是射極跟隨器最突出的優(yōu)點(diǎn)。射極跟隨器常用作多級(jí)放大器的第一級(jí)或最末級(jí)，也可用于中間隔離級(jí)。用作輸入級(jí)時(shí)，其高的輸入電阻可以減輕信號(hào)源的負(fù)擔(dān)，提高放大器的輸入電壓。用作輸出級(jí)時(shí)，其低的輸出電阻可以減小負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響，并易于與低阻負(fù)載相匹配，向負(fù)載傳送盡可能大的功率。例：例：圖示電路，已知UCC=12V，RB=200k，RE=2k，RL=3k，RS=100 ，=50。試估算靜態(tài)工作點(diǎn)，并求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。Rsus+uiRL+uo+UCCC1C2VRBRE+V26. 82

20、87. 112mA87. 10374. 050A37.4mA0374. 02)501 (2007 . 012)1 (ECQCCCEQBQCQEBBEQCCBQRIUUIIRRUUI解：解：（1）用估算法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)（2）求電壓放大倍數(shù)uA、輸入電阻 Ri和輸出電阻 Ro。100987. 126)501 (30026)1 (300EQbeIr1k98. 02 . 1)501 (12 . 1)501 ()1 ()1 (LbeLoRrRUUAiu式中2 . 13/2/LELRRRk4 .472 . 1)501 (1/200)1 (/LbeBRrRRik22501001000beosRrR式中100

21、100/10200/3sBsRRR4.5.2 4.5.3 如書表所示，簡單了解輸入級(jí)電壓放大級(jí)電壓放大級(jí)功率輸出級(jí)推動(dòng)級(jí)信號(hào)源中間級(jí)小信號(hào)放大電路功率放大電路負(fù)載4.6.1 各極之間通過耦合電容及下級(jí)輸入電阻連接。優(yōu)點(diǎn)：各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，可以單獨(dú)調(diào)整到合適位置；且不存在零點(diǎn)漂移問題。缺點(diǎn)：不能放大變化緩慢的信號(hào)和直流分量變化的信號(hào)；且由于需要大容量的耦合電容，因此不能在集成電路中采用。電路組成及特點(diǎn)電路組成及特點(diǎn)Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+阻容耦合多級(jí)放大電路的計(jì)算阻容耦合多級(jí)放大電路的

22、計(jì)算（1）靜態(tài)分析：各級(jí)單獨(dú)計(jì)算。（2）動(dòng)態(tài)分析電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積。21o1oo1ouuiiuAAUUUUUUA注意：計(jì)算前級(jí)的電壓放大倍數(shù)時(shí)必須把后級(jí)的輸入電阻考慮到前級(jí)的負(fù)載電阻之中。如計(jì)算第一級(jí)的電壓放大倍數(shù)時(shí)，其負(fù)載電阻就是第二級(jí)的輸入電阻。輸入電阻就是第一級(jí)的輸入電阻。輸出電阻就是最后一級(jí)的輸出電阻。例例 在圖示兩級(jí)組容耦合放大電路中，已知12CCUV，30B11Rk，15B21Rk，3C1Rk，3E1Rk，20B12Rk，10B22Rk，5 . 2C2Rk，2E2Rk，5LRk，5021，7 . 0BE2BE1UUV。求：（1）各級(jí)電路的靜態(tài)值；（2）各級(jí)電路的

23、電壓放大倍數(shù)1uA、2uA和總電壓放大倍數(shù)uA；（3）各級(jí)電路的輸入電阻和輸出電阻。Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+解解 （1）靜態(tài)值的估算。第一級(jí)：）（V 412153015CCB12B11B12B1URRRU）（mA 1 . 137 . 04E1BE1B1E1C1RUUII）（）（A 22mA 501 . 11C1B1II）（V 4 .5)33(1 .112)(E1C1C1CCCE1RRIUU第二級(jí)：）（V 412102010CCB22B21B22B2URRRU）（mA 65. 127 . 0

24、4E2BE2B2E2C2RUUII）（）（A 33mA 5065. 12C2B2II）（V 62.4)25 .2(65.112)(E2C2C2CCCE2RRIUU（2）求各級(jí)電路的電壓放大倍數(shù)1uA、2uA和總電壓放大倍數(shù)uA。首先畫出電路的微變等效電路。如圖所示。rbe1+o1Ub1I+iUb1IRC1RB11Rs +sU RB12rbe2+oUb2Ib2IRC2RLRB21RB22第一級(jí)第二級(jí)三極管 V1的動(dòng)態(tài)輸入電阻為：15001 . 126)501 (30026)1 (300E11be1Ir()5 . 1(k)三極管 V2的動(dòng)態(tài)輸入電阻為：110065. 126)501 (30026)1 (300E22be2Ir()1 . 1(k)第二級(jí)輸入電阻為：94. 01 . 1/10/20/be2B22B212rRRri（k）第一級(jí)等效負(fù)載電阻為：72. 094. 0/3/2C1L1irRR（k）第二級(jí)等效負(fù)載電阻為：67. 15/5 . 2/LC2L2RRR（k）第一級(jí)電壓放大倍數(shù)為：245 . 172. 050be1L111rRAu第二級(jí)電壓放大倍數(shù)為：761 .